基于STM32的單相電能表設計

呂德勇

（青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島266071）

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對電能的需求量不斷增加［2］。同時特別是某些工藝、設備等對電能有特殊要求的用戶，對供電連續(xù)性及電能的質(zhì)量要求更高。因此，供電公司需不斷地促進電力系統(tǒng)的發(fā)展以及通過相應措施提高電能質(zhì)量。在用戶側(cè)與供電側(cè)之間，電能計量裝置可以將用戶的用電情況及時反饋給供電部門。A／D轉(zhuǎn)換器和高性能微處理器等電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得電子式電能計量裝置得到了不斷的改進。電子式電能計量裝置應用廣泛，如遠程抄表，從而為用戶的用電數(shù)據(jù)遠程采集和計費等提供極大的方便。目前，電子式電能計量裝置有兩種模式：一種是以電能計量芯片為主的設計模式，此模式中電能計量芯片可以根據(jù)芯片內(nèi)部計量方式得出相應的電能計量數(shù)據(jù)并放置在相應的寄存器中供微處理器讀取，主要應用于居民用電的單相用電計量場合；第二種計量模式是微處理器加A／D轉(zhuǎn)換器組成，此模式中相關電能數(shù)據(jù)是通過轉(zhuǎn)換器讀取后送至微處理器由微處理器通過運算得出，往往應用于工業(yè)用電及對電能質(zhì)量要求較高的場合。

本文研究的單相智能電能表采用第一種模式，通過電壓電流采集電路將相關電能數(shù)據(jù)傳至電能計量芯片。

1 單相電能表的設計方法

1.1 單相電能表的計量原理

業(yè)內(nèi)一般用“功率”表述用戶消耗電能的快慢程度，而電能表計量的是用戶消耗的有功能量。由于家庭中用電設備的不斷接入與退出以及用電設備在不同工作階段消耗的電能也不相同，因此用戶負荷處于不斷的變化中，使得采樣裝置無法快速準確測量得到每一周期內(nèi)的電壓、電流有效值以及二者相位差。針對此情況以及結(jié)合器件對電量的測量方式，可以采用將電流信號采樣、電壓信號采樣以及數(shù)字乘法器三者結(jié)合的方法獲取瞬時功率［3］。假設每次的采樣間隔為Δt（應該足夠短），一段時間間隔T用N×Δt表示，則采樣點的瞬時功率如公式（1）所示：

式中，k為采樣點的采樣時刻，k＝1，2，3，…N。

則用戶消耗的電能可以用公式（2）表示：

1.2 單相電能表的總體設計框圖

本文研究的單相電能表主要由電壓取樣模塊、電流采集模塊、系統(tǒng)供電模塊、電能信息顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲及傳輸模塊等組成。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 電能表總體設計框圖

該電能表設計的核心是電能計量模塊以及微處理器控制模塊［4］。其中電能計量單元采用ATMEL公司的M90E26芯片，它具有獨立的能量寄存器，并且有功／無功電能可通過脈沖輸出或通過能量寄存器讀取以適應不同的應用。同時，它具有高精度∑－Δ轉(zhuǎn)換器的數(shù)字式乘法器，將電壓電流采樣信號值相乘并通過相應運算得到相應電能參數(shù)存儲在相應的寄存器中供微處理器讀取。在5 000：1的動態(tài)范圍內(nèi)，它的有功電能精度可以達到0.1%，無功電能精度可以達到0.2%。系統(tǒng)的控制模塊采用意法半導體公司的STM32F103系列芯片，通過STM32對M90E26的工作模式電壓、電流輸入通道的增益等進行配置，并且讀取存儲在電能計量芯片相應寄存器中的有關電能數(shù)據(jù)。可以通過STM32編寫相應的電費計量程序，將得到的數(shù)據(jù)進行處理，用戶用電量及電費通過顯示模塊顯示，并將一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊以便更好地掌握電能相關信息。與此同時，STM32可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將相關電能信息傳輸給電力部門。

1.3 電壓采集電路

用電阻分壓網(wǎng)絡來對電壓進行采集，其電路如圖2所示。

圖2 電壓采集電路

M90E26的電壓輸入通道的范圍是120μVrms～600 mVrms，因此需要通過選擇合適參數(shù)的精密電阻，將220 V的用電電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為計量器件允許通過的電壓范圍［5］，并輸送到 M90E26的VP引腳以及VN引腳。此分壓網(wǎng)絡輸入電壓的計算公式為：

式中：UPN表示電壓取樣信號有效值；U表示電網(wǎng)電壓有效值。

1.4 電流采集電路

M90E26的相線電流輸入通道的增益倍數(shù)有1倍、4倍、8倍、16倍、24倍，分別對應不同的可輸入電壓范圍。如在放大倍數(shù)為4倍時，其兩端輸入電壓的范圍為30μVrms～150 mVrms。而零線電流的兩端輸入電壓范圍為120μVrms～600 mVrms。因此，也需要將電流信號轉(zhuǎn)換為具有相應輸入范圍的信號后進行采樣。本設計中相線電流采集電路采用錳銅分流器進行采樣［6］；零線電流采用電流互感器進行采樣，零線電流經(jīng)過電流互感器后產(chǎn)生二次電流，然后經(jīng)過電阻獲得取樣信號。其采樣電路如圖3所示。

圖3 電流采集電路

在電壓采樣電路與電流采樣電路中輸入端子前面的1 kΩ電阻與33 nF的電容構(gòu)成了抗混疊濾波器，可以將采樣信號中的高頻分量進行有效的濾除，從而減小頻譜的混疊程度；而電容間接地的目的是減小因基準電壓偏移帶來的誤差［7］。

1.5 電能表的防竊電

M90E26提供防竊電工作模式。此模式下，L線和N線有功功率的差值閾值有1%，2%，…，1.5625%共16種供用戶選擇，其防竊電基本原理是根據(jù)L線電流和N線電流的大小，若超過設定的閾值，系統(tǒng)會自動選擇電流較大的線路進行電能的計量，從而在一定程度上減小了竊電的發(fā)生。

2 結(jié)束語

本文主要采用了ATMEL公司的電能計量芯片M90E26以及意法半導體公司的低功耗微處理器STM32相結(jié)合的方式。此裝置在家庭單相用電中使用，可以實現(xiàn)對采集到的信息進行數(shù)據(jù)處理、電能脈沖的采集、電能信息的顯示與存儲及通訊、防竊電等功能，具有精度高，便于維護等優(yōu)點。